基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

射手模型优化与辨识及其对图像制导的影响

基于数据链通信的人在回路制导模式额外引入了射手动力学而且存在图像信号延时,含有射手动力学的控制回路会对目标在视场（LOS）中的误差角进行跟踪补偿,从而提升图像制导弹药的制导控制性能。为探究射手动力学和图像信号延时对人在回路制导性能的影响,基于真实的图像导引头模型及参数,设计校正网络以满足导引头稳定回路的性能需求;引入两类射手模型,针对射手模型2,优化模型结构并通过贴近真实环境的辨识实验得到动力学参数,弥补了现有建模的不足。基于射手对不同图像信号延时的适应性,对比研究了两类射手模型与不同图像信号延时对导引头控制系统稳定性、快速性和人在回路比例导引制导精度的影响。仿真结果表明：图像信号延时越长,导引头跟踪速度越低、误差角越大,制导系统的收敛时间越长;优化后的射手模型2及其参数辨识更准确地描述了射手的操作行为,对制导系统的影响较低且满足系统性能要求。     

基于自适应滤波器的磁悬浮控制力矩陀螺内转子振动抑制

磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope,MSCMG)内转子存在的多源高频振动会影响自身稳定性,导致卫星姿态指向精度降低.针对其高频扰动及抑制问题,以所研制的小型立式单框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,建立动力学模型并分析了高速磁浮转子的振动特性,为内转子振动抑制提供依据.采用非参数频域辨识方法辨识整机内转子中频结构模态,通过在控制回路中串入二阶微分环节对其进行相位补偿.在稳定控制的基础上,采用自适应跟踪滤波器设计了高速磁轴承-转子系统振动抑制控制器对同频和倍频分量进行振动辨识和抑制,并在样机上进行了宽转速范围内的振动测试.实验结果表明:所设计的振动补偿控制器稳定、可行,最高工作转速达到30000rpm,全速域范围内振幅最大不超过0.07m/s2,轴心位移振动幅值和控制电流大大降低,有利于提高力矩陀螺整机的角动量指向精度.     

直升机旋翼非线性等效阻尼的识别

带黏弹减摆器的直升机自激振动具有非线性特性。为了识别摆振后退型的非线性等效阻尼,并提高阻尼的识别精度,提出了一种新的阻尼识别方法,根据多桨叶坐标变换得到后退型摆振的余弦和正弦分量的自由衰减响应,直接形成其衰减包络线,利用该包络线来识别等效阻尼的非线性特性。通过精度分析和实例计算表明,该方法避免了频率因素对阻尼识别的影响,因而提高了摆振后退型等效阻尼的识别精度。最后根据直升机地面共振模拟数据,对摆振后退型等效阻尼进行了识别。     

直升机H_∞回路成形全姿态控制器设计

根据内外回路思想结合鲁棒H∞回路成形方法,设计了直升机双回路飞行控制系统。内回路主要完成直升机的全姿态控制,包括滚转角、俯仰角和偏航角的同时控制;外回路在内回路的基础上实现了速度跟踪。所设计的控制系统基本实现了直升机各通道间的解耦,且具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。最后,按照ADS-33E标准对飞行性能进行了评估,结果表明飞行品质达到了1级水平。     

控制阵解耦的直升机显模型跟踪飞控系统设计

以某型武装直升机为例,在电传控制方式下,从工程易实现的角度出发,仅通过对控制阵B解耦,设计直升机显模型跟踪飞控系统。重点阐述了解耦矩阵Bd的设计,主要讨论当B不为方阵时,如何从广义逆矩阵的角度设计解耦矩阵,同时还需解决内回路多变量输入输出维数不一致的问题。通过定量分析评估所设计的模型跟踪系统的性能。完成内回路设计后,采用单输入单输出经典控制方法设计外回路。仿真结果验证了内外回路单独独立设计的可行性。     

基于变结构鲁棒控制的导弹再入解耦控制

根据时标分离的原则,分成快慢两个回路采用动态逆对导弹大迎角再入系统进行了设计。针对快回路受到的参数不确定性和外来干扰引起的不确定性的影响,提出了采用变结构控制和鲁棒控制的方法,使系统受到的不确定影响衰减到一个给定的水平,并获得一个H∞跟踪性能指标。理论分析和仿真结果表明,采用这种方法系统具有良好的鲁棒性和跟踪特性。     

直升机贴地飞行地形跟踪控制器的广义预测控制方法

本文采用广义预测控制(GPC)方法设计了直升机贴地飞行地形跟踪器.该方法通过最小化预测跟踪误差与预测控制增量的加权二次型性能指标来产生最优控制输入.本文在多输入/多输出飞行轨迹控制系统中采用单输入/单输出(SISO)广义预测算法即可精确跟踪其中一个输出变量.通过简化的直升机动力学模型的计算结果表明广义预测控制可在纵向平面内精确跟踪预定飞行轨迹.     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

无人水面艇自适应路径跟踪算法

路径跟踪作为无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle, USV）控制系统中必不可少的底层模块，受到国内外无人水面艇研究人员的普遍关注。为了提高无人水面艇路径跟踪的准确性和自适应性，提出了一种基于Mamdani模型的自适应模糊LOS控制策略(Mamdani Based on Line-of-Sight，MLOS）。相比传统LOS控制策略，该算法通过模糊控制修正LOS控制参数，削减了速度与LOS制导律之间的耦合，确保了路线跟踪的完成度，并且避免了传统LOS各项参数固定、不能实时调整而导致的船舶操纵性无法被充分利用的缺点。基于欠驱动水面滑行艇数学模型，通过理论分析和仿真试验证明了该算法的优越性和有效性。     

Kalman filter mechanization for INS airstart

A strapdown mechanization and associated Kalman filter are developed to provide both ground align and airstart capabilities for inertial navigation systems (INSs) using Doppler velocity and position fixes, while not requiring an initial heading estimate. Position update during coarse mode is possible by defining sine and cosine of wander angle as filter states and modeling the position error in geographic frame while integrating velocity in the wander frame. INS Global Positioning System (GPS) differential position due to GPS antenna moment arm can aid heading convergence during hover turns in helicopter applications. Azimuth error state in the fine mode of the filter is defined as wander angle error to provide continuous estimation of navigational states, as well as inertial/aiding sensor errors, across the coarse-to-fine mode transition. Though motivated by a tactical helicopter application, the design can be applied to other vehicles. Advantages over conventional systems in addition to the airstart capability include robustness and versatility in handling many different operational conditions     

直升机扭振固有频率测量试验方法

直升机扭振与FADEC控制的耦合具有强大的破坏作用,在FADEC中必须采取有效措施防止这种共振,有必要通过试验的方法测量扭振的固有频率。独创性地设计了用于直升机扭振固有频率测量的新方案:采用颤振扫频技术,直接对FADEC系统动力涡轮转速给定值进行激励,通过闭环系统对发动机动力涡轮转速进行扫频激励的方法,获取了直升机扭振系统不同工作模态下的扭振频率点。试验结果表明:该新方法能够在直升机平台准确地获取扭振固有频率。     

一种可调双门限改进Bang-Bang导引规律

为削弱Bang-Bang导引规律的视线抖动,根据双门限抑抖的思路,提出了一种具有自适应调节开、关双门限的改进Bang-Bang导引规律。仿真计算结果表明:该导引规律能够较好地抑制视线抖动且能够较好地维持导引精度。     

直升机振动主动控制的机身/压电叠层作动器耦合优化法

直升机振动主动控制通常使用惯性作动器,一般惯性作动器的附加重量要占到机体重量的4％～5％才有较好的控制效果.压电叠层作动器(PSA)作为轻质、高效的执行元件用于直升机振动主动控制可有效地降低附加重量、提高控制性能.本文将压电叠层作动器用于直升机振动主动控制,并提出了机身/压电叠层作动器耦合优化法.采用基于频率响应函数的...     

HELICOPTER VIBRATION REDUCTION TECHNIQUE WITH HARMONIC ACTIVE CONTROL

ＨＥＬＩＣＯＰＴＥＲＶＩＢＲＡＴＩＯＮＲＥＤＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＩＱＵＥＷＩＴＨＨＡＲＭＯＮＩＣＡＣＴＩＶＥＣＯＮＴＲＯＬＹａｎｇＹｉｄｏｎｇ；ＹｕａｎＳｕｏｚｋｏｎｇ；ＹｕａｎＷｅｉｄｏｎｇ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌ，Ｎａｎ...     

Development of swashplateless helicopter blade pitch control system using the limited angle direct-drive motor (LADDM)

It can be greatly beneficial to remove the swashplate of conventional helicopter, because the swashplate is usually complicated, aerodynamically resistive, and obstacle of more complex pitch control for improving performance. The present technologies for helicopter vibration reduction are usually narrow in effective range or requiring additional actuators and signal transfer links,and more effective technology is desired. Helicopter blade pitch control system, which is removed of swashplate and integrated high-frequency pitch control function for active vibration reduction, is likely the suitable solution at current technical level. Several potential implementation schemes are discussed, such as blades being directly or indirectly driven by actuators mounted in rotating frame and application of different types of actuators, especially implementation schemes of electro-mechanical actuator with or without gear reducer. It is found that swashplateless blade pitch control system based on specially designed limited angle direct-drive motor(LADDM) is a more practical implementation scheme. An experimental prototype of the finally selected implementation scheme has been designed, fabricated and tested on rotor tower. The test results show considerable feasibility of the swashplateless helicopter blade pitch control system using the LADDM.     

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。     

Adaptive Control of Helicopter Ground Resonance with Magnetorheological Damper

The methodology for adaptive control of helicopter ground resonance with magnetorheological （MR） damper is presented. The adaptive inverse control method is used to control the output damping force of MR damper and the range of the damping force is given. Through the adaptive inverse control, the damping force of MR damper is fit to a desired damping force. With the background of applying MR damper to control of helicopter ground resonance, a model of loss force and an adaptive arithmetic for stabilization of the coupled rotor/fuselage system are presented. The simulation shows that the controller presented in this paper can stabilize the rotor/fuselage coupling system quickly and control the helicopter ground resonance effectively.     

直升机操纵杆振动特性测量与分析

基于直升机铰链力矩的研究成果,建立了倾斜器操纵杆载荷的计算模型.在参考常规飞机测试元件的基础上,研制了具有足够强度和灵敏度的测力元件,通过地面试验解决了测量精度与飞行安全之间的矛盾,成功地进行了飞行试验, 并获得操纵杆载荷这一重要参数.本文计算结果与试验数据基本一致,激振力的频率与主旋翼的1倍和2倍频率接近.可以满足工程计算要求,为直升机操纵系统的设计和检验提供依据.      

基于声学黑洞效应的直升机驾驶舱宽带降噪

声学黑洞（ABH）效应是利用结构阻抗的变化，使结构中传播的波相速度和群速度发生变化，在结构局部区域实现波的聚集，进而通过少量阻尼将能量耗损。该方法具有高效、轻质、宽频等优点，为结构振动噪声控制提供了新的思路，具有较强的潜能和应用前景。本文针对直升机驾驶舱复杂的噪声问题，根据噪声源和传递路径，提出基于ABH效应的内嵌式和附加式2种减振降噪设计方案。利用有限元软件建立了结构声振耦合模型，分析了直升机驾驶舱模型的声振特性，解释了ABH效应有助于降低舱室噪声的机理，并搭建了实验平台，开展了效果测试和性能评估。结果表明，内嵌式ABH结构可以有效降低舱内的中高频噪声，而低频控制能力略显不足。附加式ABH结构可以弥补这一局限性，拓宽有效频带。结合内嵌式和附加式ABH 2种控制方案，相比传统结构在总质量不增加甚至略有降低的前提下，舱室平均噪声水平在1/3倍频程内降低3~10 dB。该研究成果有助于推进ABH新技术在未来直升机工程减振降噪中的应用。